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J-Lab科学家因在W&M开发的石墨烯发明而获奖

Winning invention:
赢得的发明: 赵鑫在世界技术网络举办的一场比赛中获得了个人能源类的冠军。他的获奖发明是石墨烯超级电容器,是他在W&M大学读研究生时发明的。图片由杰斐逊佳博体育提供

像大多数发明家一样,杰斐逊佳博体育的科学家赵鑫(Xin Zhao)的灵感来自于一种需求,结果是这项发明有一天可能会看到电动汽车和类似设备中的电池被使用石墨烯的高功率、高容量、快速充放电储能系统所推动或取代。

“毕业后,我一直在寻找威廉与玛丽同事开发的一种新材料的应用,”赵回忆说,他刚刚从威廉与玛丽学院获得材料科学博士学位。那是2006年,甚至在他还没有工作的时候,他就开始探索石墨烯碳纳米片的可能用途。

更好的储存和使用能源的方法

威廉与玛丽学院开发的材料是一种碳纳米材料,由一到三层石墨烯层构成。它是平的,就像一张纸。我想也许这种材料可以用来储存能量,”赵解释说。这一顿悟激发了人们对科学文献的探索,以寻找答案。很快,他开始关注电化学双层电容器(EDLC),即所谓的超级电容器或超级电容器。与电池不同,超级电容器的功率密度要高得多,是电池的几百倍,而且可以在几秒钟内充满电。

赵设计了一种使用石墨烯的超级电容器,威廉玛丽公司为这项发明申请了专利。2010年,一项专利(美国专利号7852612)获得批准,为大量潜在的商业应用打开了大门。

“我们对这项技术的商业潜力感到兴奋,”William & 玛丽的技术转让主管杰森·麦克德维特(Jason McDevitt)说。

“这是非常特别的,”赵说他的发明首次在超级电容器中使用垂直站立的石墨烯。“基于石墨烯的超级电容器有很多应用。石墨烯使超级电容器变得更轻,并且可以提高这些储能装置的能量密度和功率密度。此外,通过等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)从富含碳的气体中制备石墨烯的成本非常低。”

Zhao的发明由John Miller等人独立验证,William & 玛丽的进一步研究由DARPA资助。9月24日出版的《科学》杂志最近报道了初步结果。

石墨烯是碳的二维形式。它是超薄的——只有一个原子那么厚——而且超强。它作为导电体的性能优于铜,作为导热体的性能也优于所有已知的材料。2010年,曼彻斯特大学的两位科学家因分离和展示石墨烯的独特性质而获得诺贝尔物理学奖。

工作获科技奖

赵在石墨烯超级电容器方面的工作也刚刚为他赢得了一个奖项。10月27日,他被世界技术网络(World Technology Network)评为个人能源类获奖者。他是10月26日展示其成果的决赛选手之一,他与另外两位共同决赛选手分享了最高奖项,他们正在研究基于石墨烯/碳纳米材料的超级电容器的不同方法。该奖项于10月27日在联合国举行的颁奖仪式上颁发。

“这对我来说是一个巨大的惊喜和荣誉,”赵说。“从本质上讲,WTN竞赛的动机是帮助每个人思考,发明和使用新技术,更有效地利用能源,保护我们的环境,过上健康的生活。”

“这是一个有趣的活动,我听到了很多关于其他科学家和发明家的成就和愿景,”他补充说。“我希望人们更多地关注这项技术,它可以真正帮助国家节约能源,或者更有效地利用能源。”

世界技术网络是一个组织,汇集了同行认为在科学和技术领域最具创新性的个人、组织和公司。WTN在60个国家拥有1000多名成员,从事20个研究类别。

“这个年轻人是一个充满活力的人,”威廉玛丽大学应用科学系的研究教授罗恩·奥特劳(Ron Outlaw)这样评价赵。无论科学目标是什么,他都以极大的毅力和智慧去追求它。作为我的博士生,他在几个科学领域做出了重大贡献。”

Outlaw仍然与Zhao合作,Zhao是杰斐逊佳博体育团队的一员,为能源部的一个项目开发用于超导射频(SRF)加速器腔的铌薄膜涂层。

赵是在妻子田慧的建议下加入杰斐逊佳博体育的。田慧是SRF研究所的一名成员,当时在该研究所工作,是W&M应用科学系的博士研究生。她相信他在材料科学方面的专业知识可以帮助佳博体育开发粒子加速器的新技术,比如佳博体育的连续电子束加速器设施。

自2007年加入佳博体育以来,Zhao一直将他在材料分析,表征和制造方面的专业知识应用于开发更好的加速器材料。他探索了加速器腔的微观结构、纳米结构和表面特性,希望有助于开发更高效、更低成本的加速器。